成果報告書詳細
管理番号20090000000152
タイトル平成18年度-平成20年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発/エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発/省エネ超短パルスレーザーの研究開発
公開日2009/7/30
報告書年度2006 - 2008
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P03033
部署名省エネルギー技術開発部 研究開発グループ
和文要約Yb:YAGレーザーは、そのレーザー媒質の特性から、炭酸ガスレーザーあるいはNd:YAGレーザーなどの産業界で利用されているどのレーザーよりも電気から光への高い変換効率を得ることができる。また更に、高出力超短パルスレーザー光源としても期待されている。平成18年度から平成20年度にかけて行われた本研究開発においては、Yb:YAGを用いた高効率な高出力超短パルスレーザーシステムを実現するため、株式会社メガオプトと共同研究契約を締結し、連携をとりながら事業を行なった。最初に、高効率Yb:YAGレーザー増幅器の研究開発においては、繰り返し周波数100 kHzのパルス増幅実験で最大出力21.8 Wを達成した。このときの光-光変換効率は19%、電気-光変換効率は7.6%であった。また圧縮後のパルス幅は2.3 psであった。また、繰り返し10 kHzにおいて最大パルスエネルギー2.03 mJを得た。さらに改良を加えたプロトタイプ増幅器では、連続発振動作で出力が30.2 Wまで増加した。このときの光-光変換効率は27.0%であった。ビーム品質向上技術により、30 Wの連続発振試験においてM2値が理想値1にほぼ匹敵する1.08という優れた結果を得た。高出力化技術としては、高効率チャンバーを2台タンデム接続した連続発振試験において50 Wを越える出力を光-光変換効率27.0%で達成した。次に、増幅器のシード光源として、超短パルスYb:YAGレーザー発振器の研究開発も行った。まず、カーレンズモード同期により、増幅器の利得が最大となる波長1030 nm付近の成分を含む、パルス幅75 fsのモード同期パルス列の発生に成功した。更に、SESAMを用いたYb:YAGレーザー発振器の高ピークパワー化の研究開発も行った。ピークパワーを上げるため、MPC(Multi-Pass Cavity)をレーザー共振器中に挿入し、共振器長を18.3 mまで大きくし、繰り返し周波数を8.2 MHzまで低減した。この時、高ピークパワーYb:YAGレーザー発振器から、パルス幅1.0 ps、ピークパワー1.0 MW相当のパルス列を発生する事ができた。最後に、メガオプト社では、これらの成果をもとにレーザー増幅器システムの製品発売を予定しており、その仕様は最大出力 > 18 W、最大パルスエネルギー > 1.8 mJ、繰り返し周波数10-100 kHz、最小パルス幅 < 2 ps、ビーム品質 M2 < 1.5、出力安定性 = ±3%となっている。また、非熱加工への有用性についても、メガオプト社では顧客向けのデモを行なっている。
英文要約Title: Strategic Development of Energy Conservation Technology Project/ Fundamental Technology Development for Energy Conservation (Preparatory Research Phase) /Research & Development of Energy Saving Ultra-short Pulse Lasers (FY2006-FY2008) Final Report
Yb:YAG lasers potentially have higher efficiency than conventional industrial lasers including Nd:YAG and CO2 lasers. In this project, we have developed a high-power short-pulse Yb:YAG laser system with high efficiency under collaboration with Megaopto Co., Ltd. Firstly, developing a highly efficient Yb:YAG laser amplifier, we obtained the maximum average power of 21.8 W at a pulse repetition rate of 100 kHz. The optical-optical conversion efficiency was 19% and the electro-optical conversion efficiency was 7.6%. The compressed pulse duration was 2.3 ps. The maximum pulse energy of 2.03 mJ was also achieved at a repetition rate of 10 kHz. With an improved prototype model of the amplifier, the average power was increased to 30.2 W in cw operation. The optical-optical conversion efficiency was improved to be 27.0%. The observed beam quality of M2 = 1.08 was almost reaching the ideal value of M2 = 1. Higher power generation was challenged by a tandem structure with two laser rods, and 50.1 W of output power was achieved in cw operation with an optical-optical conversion efficiency of 27.0%. Secondly, to supply seeding pulses to the amplifier, we developed a Kerr-lens mode-locked Yb:YAG laser oscillator, which produced 75-fs pulses with spectral components around 1030 nm. We, moreover, constructed a high-peak-power Yb:YAG laser oscillator at 1030 nm with a SESAM, employing a Multi-Pass Cavity to enlarge the cavity length to 18.3 m, which corresponds to a repetition rate of 8.2 MHz. The laser produced 1.0 MW of peak power for 1-ps pulse duration. Finally, based on these results, Megaopto Co., Ltd. will release a commercial amplifier system with specifications of output power > 18 W, pulse energy > 1.8 mJ, repetition rates 10-100 kHz, pulse duration < 2 ps, beam quality M2 < 1.5, and output stability = ±3%. A demonstration of non-thermal laser processing was performed for customers.
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